18 buracos negros apanhados a devorar estrelas próximas

Os buracos negros, destruidores de estrelas, estão por todo o lado no céu, se soubermos como os procurar.

É esta a mensagem de um novo estudo efetuado por cientistas do Massachusetts Institute of Technology, publicado na revista The Astrophysical Journal.

Os autores do estudo relatam a descoberta de 18 novos eventos de perturbação de marés (com a sigla inglesa “TDEs”, “tidal disruption events”) – casos extremos em que uma estrela próxima é atraída para um buraco negro e dilacerada.

Enquanto o buraco negro se alimenta, emite uma enorme explosão de energia em todo o espetro eletromagnético.

Os astrónomos detetaram eventos de perturbação de marés anteriores procurando explosões características no visível e em raios X. Até à data, essas pesquisas revelaram cerca de uma dúzia de eventos de destruição estelar no Universo próximo.

Os novos TDEs da equipa do MIT mais do que duplicam o catálogo de eventos deste tipo conhecidos no Universo.

Os investigadores descobriram estes eventos anteriormente “ocultos” através da observação numa banda não convencional: o infravermelho.

Para além de emitirem explosões no visível e em raios X, os TDEs podem gerar radiação infravermelha, particularmente em galáxias “poeirentas”, onde um buraco negro central está envolto em detritos galácticos.

A poeira nestas galáxias normalmente absorve e obscurece a luz ótica e de raios-X, e qualquer sinal de TDEs nestas bandas. No processo, a poeira também aquece, produzindo radiação infravermelha que é detetável.

A equipa descobriu que as emissões infravermelhas podem, portanto, servir como sinal de eventos de perturbação de marés.

Ao olhar para a banda do infravermelho, a equipa do MIT detetou muitos mais TDEs, em galáxias onde tais eventos estavam anteriormente escondidos. Os 18 novos eventos ocorreram em diferentes tipos de galáxias, espalhadas pelo céu.

“A maioria destas fontes não aparece nas bandas óticas”, diz a autora principal Megan Masterson, estudante do Instituto Kavli para a Astrofísica e Investigação Espacial do MIT. “Se quisermos compreender os TDEs como um todo e usá-los para sondar a demografia dos buracos negros supermassivos, temos de olhar para a banda do infravermelho”.

Outros autores do MIT incluem Kishalay De, Christos Panagiotou, Anna-Christina Eilers, Danielle Frostig e Robert Simcoe, e a professora assistente de física do MIT Erin Kara, juntamente com colaboradores de várias instituições, incluindo o Instituto Max Planck de Física Extraterrestre na Alemanha.

Pico de calor

A equipa detetou recentemente o evento de perturbação de marés mais próximo de sempre, através de observações infravermelhas. A descoberta abriu uma nova via, baseada no infravermelho, pela qual os astrónomos podem procurar buracos negros que se alimentem ativamente.

Essa primeira deteção levou o grupo a procurar mais TDEs. Para o seu novo estudo, os investigadores analisaram observações de arquivo efetuadas pelo NEOWISE – a versão renovada do WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA.

Este telescópio espacial foi lançado em 2009 e, após uma breve paragem, continuou a analisar todo o céu em busca de “transientes” infravermelhos, ou surtos breves.

A equipa analisou as observações arquivadas da missão utilizando um algoritmo desenvolvido pelo coautor Kishalay De. Este algoritmo identifica padrões nas emissões infravermelhas que são provavelmente sinais de uma explosão transiente de radiação.

A equipa cruzou então as referências dos transientes assinalados com um catálogo de todas as galáxias próximas conhecidas num raio de 200 megaparsecs, ou 600 milhões de anos-luz. Descobriram que os transientes infravermelhos podiam ser localizados em cerca de 1000 galáxias.

Em seguida, debruçaram-se sobre o sinal do surto infravermelho de cada galáxia para determinar se era originário de uma fonte que não um TDE, como um núcleo galáctico ativo ou uma supernova.

Depois de excluírem estas possibilidades, a equipa analisou os restantes sinais, procurando um padrão infravermelho característico de um evento de perturbação de marés – nomeadamente, um pico acentuado seguido de uma descida gradual, refletindo o processo pelo qual um buraco negro, ao despedaçar uma estrela, aquece subitamente a poeira circundante até cerca de 1000 K, antes de arrefecer gradualmente.

Esta análise revelou 18 sinais “limpos” de eventos de perturbação de marés. Os investigadores fizeram um levantamento das galáxias em que cada TDE foi encontrado, e verificaram que ocorreram numa série de sistemas, incluindo galáxias poeirentas, em todo o céu.

“Se olhássemos para o céu e víssemos um monte de galáxias, os TDEs ocorreriam de forma representativa em todas elas“, diz Masterson. “Não é que estejam a ocorrer apenas num tipo de galáxia, como se pensava com base apenas em estudos óticos e de raios X.”

“É agora possível espreitar através da poeira e completar o censo de TDEs próximos”, diz Edo Berger, professor de astronomia na Universidade de Harvard, que não esteve envolvido no estudo. “Um aspeto particularmente excitante deste trabalho é o potencial de estudos de seguimento com grandes levantamentos infravermelhos, e estou entusiasmado por ver que descobertas irão produzir.”

Uma solução poeirenta

As descobertas da equipa ajudam a resolver algumas questões importantes no estudo dos eventos de perturbação de marés.

Por exemplo, antes deste trabalho, os astrónomos tinham visto TDEs sobretudo num tipo de galáxia – um sistema “pós-formação estelar explosiva” que tinha sido anteriormente uma fábrica de formação de estrelas, mas que, entretanto, se estabilizou.

Este tipo de galáxia é raro, e os astrónomos ficaram intrigados com a razão pela qual os TDEs pareciam estar a aparecer apenas nestes sistemas mais raros.

Acontece que estes sistemas são também relativamente desprovidos de poeira, o que torna as emissões óticas ou de raios X de um TDE naturalmente mais fáceis de detetar.

Agora, ao olhar para a banda do infravermelho, os astrónomos conseguem ver TDEs em muitas mais galáxias. Os novos resultados da equipa mostram que os buracos negros podem devorar estrelas numa série de galáxias, e não apenas em sistemas pós-formação estelar explosiva.

Os resultados também resolvem um problema de “energia em falta”. Os físicos previram teoricamente que os TDEs deveriam irradiar mais energia do que a que foi efetivamente observada.

Mas a equipa do MIT afirma agora que a poeira pode explicar a discrepância. Descobriram que, se um TDE ocorre numa galáxia poeirenta, a própria poeira pode absorver não só as emissões óticas e de raios-X, mas também a radiação ultravioleta extrema, numa quantidade equivalente à presumível “energia em falta”.

As 18 novas deteções estão também a ajudar os astrónomos a estimar a taxa de ocorrência de TDEs numa dada galáxia. Quando se comparam os novos eventos de perturbação de marés com as deteções anteriores, estima-se que uma galáxia tenha um TDE a cada 50.000 anos.

Este ritmo aproxima-se das previsões teóricas dos físicos. Com mais observações no infravermelho, a equipa espera resolver a taxa de TDEs e as propriedades dos buracos negros que os alimentam.

“Os cientistas estavam a encontrar soluções muito exóticas para estes puzzles e agora chegámos a um ponto em que podemos resolvê-los a todos”, diz Kara.

“Isto dá-nos a confiança de que não precisamos de toda esta física exótica para explicar o que estamos a ver. E temos um melhor controlo da mecânica por detrás da forma como uma estrela é despedaçada e engolida por um buraco negro. Estamos a compreender melhor estes sistemas”.